CN106093677A - 一种三电平有源滤波器igbt开路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，属于变频器IGBT故障诊断方法。故障诊断方法，通过两种具体方法观测有源滤波器三相输出点X对直流母线中点M的电位，并通过相似度比较来确定具体发生开路故障IGBT的位置；一种方法是通过电路理论回路方程来实时求出三相输出点X对母线中点M的电位差，代表实际真实的电位差；另一种方法是先假设X相的4个IGBT分别开路后，通过电流回路分析推算得出X相4个IGBT开路后三相输出点X对母线中点M的电位差，代表推测出的电位差。推测电位差中有且只有一个波形与第一种方法求得的电位差相近，从而判断出故障。优点：1)独立于负载种类。2)在负载突变情况下仍可以精确诊断；3)精确性高，4)不需要额外的硬件成本。

Description

一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种变频器IGBT故障诊断方法，特别是一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法。

背景技术

变频器在电机调速领域应用广泛。变频器必然要用到高开关频率的功率开关器件。功率开关器件常常有损坏的情况发生，一旦功率器件故障发生将影响***工作甚至导致停机。据统计，功率器件故障占据变频器故障的70％以上，因此快速有效的对功率器件进行故障定位，并做出保护和容错措施对于变频器至关重要。

研究已经发现了很多变频器功率器件故障诊断方法，比如PARK矢量法、神经网络方法等等。这些方法只适用与变频调速***，不适用于有源滤波器，根本原因是因为电机调速的目标是实现电流的正弦化。对于变频器，故障状态时，电流不再是正弦，这是很容易进行判别的。但对于有源滤波器时，这些判断方法的准确性大大降低了。因为有源滤波器电流输出的目标大部分情况下都不是正弦，甚至有源滤波器的正常状态电流比电机调速变频器的故障状态电流更不规则。而且有源滤波器有时需要补偿零序分量，因此功率器件故障判断难度很大。

传统的IGBT故障诊断方法，一般只适用正常工作输出电流为正弦的情况，而且传统故障诊断方法的准确性受负载的限制，在很多负载情况下不适用。传统的检测方法一般不适用于三相电流不平衡的情况。另外传统方法在负载突变的时候很容易出现误诊断的情况。

发明内容

本发明的目的是要提供一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，解决现有有源滤波器的功率器件故障判断难度很大的问题。

本发明的目的是这样实现的：该故障定位方法包括以下步骤：

步骤一：模拟量信号采集，包括三电平三相四线制有源滤波器的三相进线电压e_A、e_B、e_C，三相输出电流i_A、i_B、i_C，直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压u_dc1和下母线电压u_dc2，以及中线电流i_N；

步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲S_x的状态，该S_x的状态可直接由控制器读取获得，以及步骤一采集的直流母线电压信号推算出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的电位V_XM，即V_AM、V_BM、V_CM，其中X＝A or B or C；

步骤三：根据步骤一所采集的部分信号，代入公式

$V_{XM}^C=i_X\·r_X+L_X\·\frac{{\mathrm{di}}_X}{dt}+e_X-L_N\·\frac{{\mathrm{di}}_N}{dt}-i_N\·r_N$

分别求出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的实际电位即(简称)；

步骤四：用步骤二中的V_XM与步骤三中的做差，得到X点对M点的电位误差

步骤五：当故障已经发生时，通过对三电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可以预测出某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对M点的预测电位具体可以通过下式获得：

$V_{XM}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{XM}^{\′}& \left|i_X\right|>\mathrm{\ϵ}\\ e_X-\frac{2}{3}\underset{i\∈\{A,B,C\}}{\underset{i\≠X}{\Σ}}{e}_i+\frac{1}{3}\underset{i\∈\{A,B,C\}}{\underset{i\≠X}{\Σ}}{V}_{iM}& \left|i_X\right|\≤\mathrm{\ϵ}\end{array}\right..$

这里ε取很小的正值；V′_XM可由下表获得；

步骤六：用步骤二中的V_XM与步骤五中的做差，得到X点对M点的电位误差电位

步骤七：将步骤四所得的和步骤六所得的进行数字高频滤波处理，滤除高频噪声；得到和

对步骤二到步骤七过程的进一步解释：和是利用两种不同的方法得到的X点到M点的误差电位；一共12个结果，分别对应三电平有源滤波器的12个IGBT，即A相的B相的 C相的一共有3个结果，分别对应三电平有源滤波器三相A,B,C桥臂的

步骤八：设定阈值λ，λ根据具体***参数取值，单位为伏，λ取***设定的直流母线电压值的25％；并判断步骤七所得的三个是否大于阈值λ；如果三个中某个大于阈值λ，则该相发生了IGBT开路故障；

步骤九：确定矿障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障；

步骤八中大于阈值λ，则A相发生IGBT开路故障；此时步骤七所得的中的A相的升级为特征矢量；将与 分别做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的具***置；如果与相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障；其他故障电位以此类推。

有益效果，由于采用了上述方法，IGBT开路故障被精确定位，且不受有源滤波器输出电流的大小、形状、频率的限制，不仅仅适用于感性、容性、阻性以及谐波等多样的负载情况，在三相电流不平衡时仍然适用，而且在负载突变的暂态工程中仍能检测出故障并且不会误报故障。故障诊断方法属于依据电压来判断故障的范畴，但是不像传统电压诊断方法需要添加额外的硬件设备，因此不会引入额外的硬件成本。解决了现有有源滤波器的功率器件故障判断难度很大的问题，达到了本发明的目的。

优点：1)独立于负载种类。即适用于各种各样的负载类型，无论有源滤波器补偿的电流是容性、感性或者谐波，本专利方法都适用，而传统方法不能兼备。2)在负载突变情况下仍可以精确诊断而且不会误报故障，传统方法很多都不能解决负载突变的误诊断问题。3)在三相电流不平衡的时候仍可以判断故障。4)精确性高，本专利方法检测过程引入了高频滤波环节，免除了噪声干扰，且求得的故障特征相似度差别很大，故障位置IGBT对应的相似度很容易被甄别。5)不需要额外的硬件成本。不需要添加额外的传感器。

附图说明：

图1是本发明的A相1管IGBT故障时，A相4个IGBT对应的波形。

图2是本发明的A相1管IGBT故障时，A相电流波形、波形、波形以及判断信号。

图3是本发明的A相2管IGBT故障时，A相4个IGBT对应的波形。

图4是本发明的A相2管IGBT故障时，A相电流波形、波形、波形以及判断信号。

图5是本发明的12个IGBT分别故障时的相似度对比。

图6是本发明的三电平有源滤波器拓扑图。

图7是本发明的整体流程图。

具体实施方式

实施例1：该故障定位方法包括以下步骤：

步骤一：模拟量信号采集，包括三电平三相四线制有源滤波器的三相进线电压e_A、e_B、e_C，三相输出电流i_A、i_B、i_C，直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压u_dc1和下母线电压u_dc2，以及中线电流i_N；

步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲S_x的状态，该S_x的状态可直接由控制器读取获得，以及步骤一采集的直流母线电压信号推算出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的电位V_XM，即V_AM、V_BM、V_CM，其中X＝A or B or C；

步骤三：根据步骤一所采集的部分信号，代入公式

$V_{XM}^C=i_X\·r_X+L_X\·\frac{{\mathrm{di}}_X}{dt}+e_X-L_N\·\frac{{\mathrm{di}}_N}{dt}-i_N\·r_N$

分别求出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的实际电位即(简称)；

步骤四：用步骤二中的V_XM与步骤三中的做差，得到X点对M点的电位误差

步骤五：当故障已经发生时，通过对三电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可以预测出某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对M点的预测电位具体可以通过下式获得：

$V_{XM}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{XM}^{\′}& \left|i_X\right|>\mathrm{\ϵ}\\ e_X-\frac{2}{3}\underset{i\∈\{A,B,C\}}{\underset{i\≠X}{\Σ}}{e}_i+\frac{1}{3}\underset{i\∈\{A,B,C\}}{\underset{i\≠X}{\Σ}}{V}_{iM}& \left|i_X\right|\≤\mathrm{\ϵ}\end{array}\right..$

这里ε取很小的正值；V′_XM可由下表获得；

步骤六：用步骤二中的V_XM与步骤五中的做差，得到X点对M点的电位误差电位

步骤七：将步骤四所得的和步骤六所得的进行数字高频滤波处理，滤除高频噪声；得到和

对步骤二到步骤七过程的进一步解释：和是利用两种不同的方法得到的X点到M点的误差电位；一共12个结果，分别对应三电平有源滤波器的12个IGBT，即A相的B相的 C相的一共有3个结果，分别对应三电平有源滤波器三相A,B,C桥臂的

步骤八：设定阈值λ，λ根据具体***参数取值，单位为伏，λ取***设定的直流母线电压值的25％；并判断步骤七所得的三个是否大于阈值λ；如果三个中某个大于阈值λ，则该相发生了IGBT开路故障；

步骤九：确定故障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障；

步骤八中大于阈值λ，则A相发生IGBT开路故障；此时步骤七所得的中的A相的升级为特征矢量；将与 分别做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的具***置；如果与相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障；其他故障电位以此类推。

整体流程图如图7所示。

图1和图2显示了当A相1管发生故障时候的波形。图1对应 四个波形，正是这四个波形用来和作比较，看四个波形谁和相似度最高。图2中显示了电流以及判断信号波形。可以看出相似度很高，因此对应1管故障被定位。

图3和图4显示了当A相2管发生故障时候的波形。图3对应 四个波形，正是这四个波形用来和作比较，看四个波形谁和相似度最高。图4中显示了电流以及判断信号波形。可以看出相似度很高，因此对应2管故障被定位。

其他10个IGBT的故障波形和判断方法类似，不再详述。12个IGBT开路故障对应的相似度计算结果如图5所示。相似度最大值即对应开路故障的IGBT。

Claims (1)

1.一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，其特征是：该故障定位方法包括以下步骤：

步骤一：模拟量信号采集，包括三电平三相四线制有源滤波器的三相进线电压e_A、e_B、e_C，三相输出电流i_A、i_B、i_C，直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压u_dc1和下母线电压u_dc2，以及中线电流i_N；

步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲S_x的状态，以及步骤一采集的直流母线电压信号推算出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的电位V_XM，即V_AM、V_BM、V_CM，其中X＝A or B or C；

步骤三：根据步骤一所采集的部分信号，代入公式

$V_{XM}^C=i_X\·r_X+L_X\·\frac{{\mathrm{di}}_X}{dt}+e_X-L_N\·\frac{{\mathrm{di}}_N}{dt}-i_N\·r_N$

分别求出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点M的实际电位即(简称)；

步骤四：用步骤二中的V_XM与步骤三中的做差，得到X点对M点的电位误差

步骤五：当故障已经发生时，通过对三电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可以预测出某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对M点的预测电位具体可以通过下式获得：

$V_{XM}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{XM}^{\′}& \left|i_X\right|>\mathrm{\ϵ}\\ e_X-\frac{2}{3}\underset{i\∈\left\{A,B,C\right\}}{\underset{i\≠X}{\mathrm{\Σ}}}{e}_i+\frac{1}{3}\underset{i\∈\left\{A,B,C\right\}}{\underset{i\≠X,}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{iM}& \left|i_X\right|\≤\mathrm{\ϵ}\end{array}\right..$

这里ε取很小的正值；其中的V‘_XM可由下表获得；

步骤六：用步骤二中的V_XM与步骤五中的做差，得到X点对M点的电位误差电位

步骤七：将步骤四所得的和步骤六所得的进行数字高频滤波处理，滤除高频噪声；得到和

对步骤二到步骤七过程的进一步解释：和是利用两种不同的方法得到的X点到M点的误差电位；一共12个结果，分别对应三电平有源滤波器的12个IGBT，即A相的B相的 C相的 一共有3个结果，分别对应三电平有源滤波器三相A,B,C桥臂的

步骤八：设定阈值λ，λ根据具体***参数取值，单位为伏，λ取***设定的直流母线电压值的25％；并判断步骤七所得的三个是否大于阈值λ；如果三个中某个大于阈值λ，则该相发生了IGBT开路故障；

步骤九：确定故障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障；

步骤八中大于阈值λ，则A相发生IGBT开路故障；此时步骤七所得的中的A相的升级为特征矢量；将与 分别做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的具***置；如果与相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障；其他故障电位以此类推。